tre fysiker som har samarbetat i San Francisco Bay Area under det senaste året har utarbetat en ny lösning på ett mysterium som har belägrat sitt område i mer än 30 år. Detta djupa pussel, som har drivit experiment på alltmer kraftfulla partikelkolliderare och gett upphov till den kontroversiella multivershypotesen, uppgår till något som en ljus fjärde grader kan fråga: Hur kan en magnet lyfta ett gem mot gravitationskraften på hela planeten?
trots sin svängning över stjärnorna och galaxerna är tyngdkraften hundratals miljoner trillioner trillioner gånger svagare än magnetism och de andra mikroskopiska krafterna i naturen. Denna skillnad uppträder i fysikekvationer som en liknande absurd skillnad mellan massan av Higgs boson, en partikel som upptäcktes 2012 som styr massorna och krafterna i samband med de andra kända partiklarna och det förväntade massområdet av ännu oupptäckta gravitationstillstånd av materia.
i avsaknad av bevis från Europas Large Hadron Collider (LHC) som stöder någon av de teorier som tidigare föreslagits för att förklara denna befängda masshierarki — inklusive den förföriskt eleganta ”supersymmetri” — har många fysiker kommit att tvivla på själva logiken i naturens lagar. I allt högre grad oroar de sig för att vårt universum bara kan vara en slumpmässig, ganska bisarr permutation bland otaliga andra möjliga universum — en effektiv återvändsgränd i strävan efter en sammanhängande naturteori.
denna månad lanserade LHC sin ivrigt förväntade andra körning med nästan dubbelt sin tidigare driftsenergi och fortsatte sin strävan efter nya partiklar eller fenomen som skulle lösa hierarkiproblemet. Men den mycket verkliga möjligheten att inga nya partiklar ligger runt hörnet har lämnat teoretiska fysiker inför deras ”mardrömsscenario.”Det har också fått dem att tänka.
”det är i krismoment som nya tankar utvecklas”, säger Gian Giudice, en teoretisk partikelfysiker vid CERN-laboratoriet nära Geneva, som rymmer LHC.
det nya förslaget erbjuder en möjlig väg framåt. Trioen är ”super upphetsad”, säger David Kaplan, 46, en teoretisk partikelfysiker från Johns Hopkins University i Baltimore, Md., som utvecklade modellen under en västkust sabbatical med Peter Graham, 35, av Stanford University och Surjeet Rajendran, 32, av University of California, Berkeley.
deras lösning spårar hierarkin mellan tyngdkraften och de andra grundläggande krafterna tillbaka till kosmos Explosiva födelse, när deras modell antyder, två variabler som utvecklades i tandem plötsligt dödläge. I det ögonblicket låste en hypotetisk partikel som kallades ”axionen” Higgs bosonen i sin nuvarande massa, långt under tyngdkraften. Axionen har dykt upp i teoretiska ekvationer sedan 1977 och anses sannolikt existera. Men ingen, förrän nu, märkte att axioner kan vara vad trioen kallar ”relaxioner”, lösa hierarkiproblemet genom att” koppla av ” värdet av Higgs-massan.
”det är en väldigt smart ide”, säger Raman Sundrum, en teoretisk partikelfysiker vid University of Maryland i College Park som inte var inblandad i att utveckla den. ”Kanske någon version av det är hur världen fungerar.”
under veckorna sedan trioens papper dök upp online har det öppnat ”en ny lekplats” befolkad med forskare som är angelägna om att revidera sina svagheter och ta sin grundläggande premiss i olika riktningar, säger Nathaniel Craig, en teoretisk fysiker vid University of California, Santa Barbara.
”det här verkar bara som en ganska enkel möjlighet”, sa Rajendran. ”Vi står inte på huvudet för att göra något galet här. Det vill bara fungera.”
men som flera experter noterade har tanken i sin nuvarande form brister som måste övervägas noggrant. Och även om det överlever denna granskning kan det ta mer än ett decennium att testa experimentellt. För tillfället sa experter att relaxionen skakar upp långvariga åsikter och uppmuntrar vissa fysiker att se hierarkiproblemet i ett nytt ljus. Lektionen, säger Michael Dine, en fysiker vid University of California, Santa Cruz, och en veteran i hierarkiproblemet, är ”att inte bara ge upp och anta att vi inte kommer att kunna räkna ut det.”
en onaturlig balans
för all revelry kring 2012-upptäckten av Higgs boson, som slutförde ”standardmodellen” för partikelfysik och tjänade Peter Higgs och Fran Exceptioniis Englert 2013 års Nobelpris i fysik, kom det som liten överraskning; partikelns existens och uppmätt massa av 125 giga-elektronvolt (GeV) kom överens med år av indirekta bevis. Det är vad som inte hittades på LHC som lämnade experter förvirrade. Ingenting visade sig som kunde förena Higgs-massan med den förutsagda massskalan i samband med tyngdkraften, som ligger utanför experimentell räckvidd vid 10.000.000.000.000.000 GeV.
” frågan är att i kvantmekanik påverkar allt annat,” förklarade Giudice. De supertunga gravitationstillstånden bör mingla kvantmekaniskt med Higgs boson, vilket bidrar till enorma faktorer till värdet av dess massa. Men på något sätt hamnar Higgs boson lätt. Det är som om alla gigantiska faktorer som påverkar dess massa — några positiva, andra negativa, men alla dussintals siffror långa — har magiskt avbrutits och lämnar ett utomordentligt litet värde bakom sig. Den osannolikt finjusterade avbokningen av dessa faktorer verkar ”misstänkt”, sa Giudice. ”Du tror, ja, det måste finnas något annat bakom det.”
experter jämför ofta den finjusterade Higgs-massan med en penna som står på ledspetsen, knuffad på detta sätt och det av kraftfulla krafter som luftströmmar och bordsvibrationer som på något sätt har slagit en perfekt balans. ”Det är inte ett tillstånd av omöjlighet; det är ett tillstånd av extremt liten sannolikhet”, säger Savas Dimopoulos från Stanford. Om du stötte på en sådan penna sa han: ”du skulle först flytta handen över pennan för att se om det fanns någon sträng som höll den från taket. du skulle titta på tipset för att se om det finns tuggummi.”
fysiker har på samma sätt sökt en naturlig förklaring till hierarkiproblemet sedan 1970-talet, övertygade om att sökningen skulle leda dem mot en mer fullständig naturteori, kanske till och med vända upp partiklarna bakom ”mörk materia”, den osynliga substansen som genomtränger galaxer. ”Naturlighet har verkligen varit sökmotivet för den forskningen,” sade Giudice.
sedan 1980-talet har det mest populära förslaget varit supersymmetri. Det löser hierarkiproblemet genom att postulera en ännu inte upptäckt tvilling för varje elementär partikel: för elektronen, en hypotetisk ”selectron”, för varje kvark, en” squark ” och så vidare. Tvillingar bidrar motsatta termer till Higgs bosons massa, vilket gör den immun mot effekterna av supertunga gravitationspartiklar (eftersom de upphävs av effekterna av deras tvillingar).
men inga bevis för supersymmetri eller för några konkurrerande ideer — som ”technicolor” och ”warped extra dimensions” — dök upp under LHC: s första körning från 2010 till 2013. När collider stängde av för uppgraderingar i början av 2013 utan att ha hittat en enda ”spartikel” eller något annat tecken på fysik utöver standardmodellen, kände många experter att de inte längre kunde undvika att överväga ett starkt alternativ. Vad händer om Higgs-massan, och implicit naturlagarna, är onaturliga? Beräkningar visar att om Higgs bosons massa bara var några gånger tyngre och allt annat förblev detsamma, kunde protoner inte längre samlas i atomer, och det skulle inte finnas några komplexa strukturer — inga stjärnor eller levande varelser. Så, vad händer om vårt universum verkligen är så oavsiktligt finjusterat som en penna balanserad på sin spets, utpekad som vår kosmiska adress från ett otänkbart stort antal bubbeluniverser i ett evigt skummande ”multiverse” hav helt enkelt för att livet kräver en sådan upprörande olycka att existera?
denna multivershypotes, som har väckt över diskussioner om hierarkiproblemet sedan slutet av 1990-talet, ses som en dyster utsikter av de flesta fysiker. ”Jag vet bara inte vad jag ska göra med det,” sa Craig. ”Vi vet inte vad reglerna är.”Andra bubblor i multiversen, om de existerar, ligger utanför gränserna för ljuskommunikation, för alltid begränsar teorier om multiversen till vad vi kan observera inifrån vår ensamma bubbla. Med inget sätt att berätta var vår datapunkt ligger på det stora spektrumet av möjligheter i ett multiversum blir det svårt eller omöjligt att konstruera multiversbaserade argument om varför vårt universum är som det är. ”Jag vet inte vid vilken tidpunkt vi någonsin skulle bli övertygade,” sa Dine. ”Hur skulle du lösa det? Hur skulle du veta det?”
Higgs och Relaxion
Kaplan besökte Bay Area förra sommaren för att samarbeta med Graham och Rajendran, som han visste eftersom alla tre hade arbetat vid olika tidpunkter under Dimopoulos, som var en av de viktigaste utvecklarna av supersymmetri. Under det senaste året delade trioen sin tid mellan Berkeley och Stanford — och de olika kaffebutikerna, lunchplatserna och glassbarerna som gränsar till båda campuserna — utbyter ”embryonala bitar av tanken”, sa Graham och utvecklade gradvis en ny ursprungshistoria för partikelfysikens lagar.
inspirerad av ett 1984-försök av Larry Abbott att ta itu med ett annat naturlighetsproblem i fysiken, försökte de omarbeta Higgs-massan som en utvecklande parameter, en som dynamiskt kunde ”slappna av” till sitt lilla värde under kosmos födelse snarare än att börja som en fast, till synes osannolik konstant. ”Även om det tog sex månader av återvändsgränder och riktigt dumma modeller och mycket barock, komplicerade saker, hamnade vi på den här enkla bilden,” sa Kaplan.
i sin modell beror Higgs-massan på det numeriska värdet av ett hypotetiskt fält som genomtränger rum och tid: ett axionfält. Att föreställa sig det, ” vi tänker på hela rymden som den här 3D-madrassen,” sa Dimopoulos. Värdet vid varje punkt i fältet motsvarar hur komprimerade madrassfjädrarna är där. Det har länge erkänts att förekomsten av denna madrass — och dess vibrationer i form av axioner-kan lösa två djupa mysterier: Först skulle axionfältet förklara varför de flesta interaktioner mellan protoner och neutroner går både framåt och bakåt och löser det som kallas ”strong CP” – problemet. Och axioner kan utgöra mörk materia. Att lösa hierarkiproblemet skulle vara en tredje imponerande prestation.
historien om den nya modellen börjar när kosmos var en energiinfunderad punkt. Axionmadrassen var extremt komprimerad, vilket gjorde Higgs-massan enorm. När universum expanderade slappnade fjädrarna av, som om deras energi spred sig genom fjädrarna i det nyskapade rymden. När energin försvann, Så gjorde Higgs-massan också. När massan föll till sitt nuvärde orsakade den en relaterad variabel att dyka förbi noll och slå på Higgs-fältet, en molassliknande enhet som ger massa till partiklarna som rör sig genom den, såsom elektroner och kvarkar. Massiva kvarkar interagerade i sin tur med axionfältet och skapade åsar i den metaforiska kullen som dess energi hade rullat ner. Axionfältet fastnade. Det gjorde även higgsmässan.
i vad Sundrum kallade en radikal paus från tidigare modeller visar den nya hur den moderna masshierarkin kan ha skulpterats av kosmos födelse. ”Det faktum att de har satt ekvationer till detta i realistisk mening är verkligen anmärkningsvärt,” sa han.
Dimopoulos påpekade modellens slående minimalism, som oftast använder förutbestämda ideer. ”Människor som jag själv som har investerat en hel del på dessa andra metoder för hierarkiproblemet blev mycket glatt förvånade över att du inte behöver titta väldigt långt,” sa han. ”I standardmodellens bakgård var lösningen där. Det krävdes mycket kloka ungdomar för att inse det.
”detta höjer axionens aktiekurs”, tillade han. Nyligen började Axion Dark Matter-experimentet vid University of Washington i Seattle leta efter de sällsynta omvandlingarna av mörka materiens axioner till ljus inuti starka magnetfält. Nu sa Dimopoulos: ”vi borde se ännu svårare ut att hitta den.”
men som många experter noterade Nima Arkani-Hamed från Institute for Advanced Study i Princeton, NJ, att det är tidiga dagar för detta förslag. Medan” det är definitivt smart”, sa han, är dess nuvarande implementering långsökt. Till exempel, för att axionfältet ska ha fastnat på åsarna som skapats av kvarkarna snarare än att rulla förbi dem, måste kosmisk inflation ha gått mycket långsammare än de flesta kosmologer har antagit. ”Du lägger till 10 miljarder år av inflation,” sa han. ”Du måste undra varför all kosmologi ordnar sig bara för att få detta att hända.”
och även om axionen upptäcks, skulle det inte ensam bevisa att det är ”relaxion” — att det slappnar av värdet av Higgs-massan. När Kaplans vistelse i Bay Area slingrar sig ner börjar han, Graham och Rajendran utveckla ideer för hur man testar den aspekten av sin modell. Det kan så småningom vara möjligt att oscillera ett axionfält, till exempel för att se om detta påverkar massorna av närliggande elementära partiklar, genom Higgs-massan. ”Du skulle se elektronmassan vicka,” sa Graham.
dessa tester av förslaget kommer inte att hända på många år. (Modellen förutsäger inte några nya fenomen som LHC skulle upptäcka.) Och realistiskt, sade flera experter, det står inför långa odds. Så många smarta förslag har misslyckats genom åren att många fysiker är reflexivt skeptiska. Ändå levererar den spännande nya modellen en snabb dos optimism.
”vi trodde att vi hade tänkt på allt och det fanns inget nytt under solen”, sa Sundrum. ”Vad detta visar är att människor är ganska smarta och det finns fortfarande utrymme för nya genombrott.”
Redaktörens anmärkning: David Kaplan är värd för Quanta magazines in Theory – videoserie.
denna artikel trycktes på nytt Wired.com.